（测试计量技术及仪器专业论文）多台出租车计价器本机检定管理系统的研制.pdf

中英文摘要 y7 8 2 2 5 8 摘要 出租汽车计价器是一种出租汽车专用的计量仪器，国家将其列为实行强制检 定的工作计量器具。计价器的检定分为本机检定和使用误差检定两个部分，目前 有多种进行出租汽车计价器本机检定的标准检定装置，可以实现计价器本机的计 程检定，计时检定，切换速度检定等主要的检定项目。但是这些标准检定装置每 次只能对单台计价器进行检定，在检定过程中，需要人工记录计价器的检定数据， 并人工计算出检定项目的各项误差，此外，计价器检定记录也是由操作人员在检 定结束后进行录入，这种方法不仅工作效率低、操作复杂，而且极易出现错误。 本论文设计并实现了一种新型的多台出租汽车计价器本机检定管理系统，该 系统集计价器的检定、误差的计算、检定记录售患、的存储及管理为一体，直接在 一台p c 机上操作即可完成检定的整个工作。另外，本系统针对以往的检定仪器 一次只能检定一台计价器的缺点，实现了在一次检定过程中同时进行多台计价器 的检定，这样在很大程度上提高了计价器检定工作的效率。 论文首先根据目前出租汽车计价器本机检定所存在的弊端，提出了新型的多 台出租汽车计价器本机检定管理系统的总体设计方案，分析和讨论了整个系统的 结构和各个组成部分需要实现的功能。 然后重点论述了系统的硬件电路部分的设计方法，包括由单片机控制步进电 动机模拟汽车车轮的转动来实现计程所构成的计程检定部分，由1 0 路单片机构 成的计时器组成的计时检定部分，以及p c 机和多路单片机之间的串行通信接口 部分的设计原理和实现过程。 接着论述上位机控制软件的编制方法和实现过程，包括p c 机与多台单片机 串行通信功能以及计价器记录信息的数据库管理功能的核心设计技术， 最后对本系统的设计作了一个小结。 关键词：出租汽车计价器；单片机；步进电动机；检定；v c + + 6 0 工 中英文摘要 a b s t r a c t t h et a x i m e t e ri sak i n do fs p e c i a lm e a s u r eb u i l ti nat a x i u n d e rs t a t ep o l i c y , i ti s l i s t e di nt h o s em e a s u r e st h a ta r ef o r c i n gt ob ed e t e c t e d t h ed e t e c t i n go fat a x i m e t e r c o n s i s t so ft h e l o c a lt a x i m e t e r sd e t e c t i n ga n dt h eu s ee r r o r sd e t e c t i n g p r e s e n t l y t h e r ea r es e v e r a lk i n d so fm e a s u r e su s e df o rt h el o c a lt a x i m e t e r sd e t e c t i n g t h e yc a n d e t e c tt h et a x i m e t e r sc y c l o m e t e r , t h ec a l c u l a g r a p ha n dt h es p e e d sc h a n g e ，b u tt h e y o n l yc a nd e t e c tas i n g l et a x i m e t e ro n c e i na d d i t i o n ，t h ed a t ao ft h e t a x i m e t e r s d e t e c t i n gs h o u l db er e c o r d e db yh a n d ，a n dt h ee r r o ri t e mo ft h ed e t e c t i n gw a ss t i l l a c h i e v e db yh a n d b e s i d e s ，t h er e c o r do ft a x i m e t e r sd e t e c t i n gi sr e g i s t e r e dc o m p u t e r a f t e rd e t e c t i n gt h et a x i m e t e rb yp e o p l e s o ，t h em e t h o do fd e t e c tt a x i m e t e ri sn o to n l y i n e f f i c i e n ta n dc o m p l i c a t e d ，b u ta l s oe a s i l yt om a k eam i s t a k e i nt h i sp a p e r , an e wl o c a ld e t e c t i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo fm u t i - t a x a m e t e ri s d e s i g n e d t h i ss y s t e mc a nr e a l i z et h ed e t e c t i n go ft a x i m e t e r , t h ep r o c e s s i n go fd a t a ， a n dt h em a n a g e m e n to ft h er e g i s t e r sa tt h es a m et i m e t h et o t a ld e t e c t i n gp r o c e s sc a n b ec o m p l e t e dj u s to nac o m p u t e r d i s t i n c tf r o mo t h e rd e t e c t i n gs y s t e m s ，t h i ss y s t e m c a nd e t e c ts e v e r a lt a x i m e t e r si nad e t e c t i n gp r o c e s s s ot h ee f f i c i e n c yo fd e t e c t i n gt h e t a x i m e t e r si si m p r o v e dt oag r e a te x t e n t i nt h ep a p e r , f i r s t l y , b a s i n go nt h ea b u s eo ft h el o c a ld e t e c t i n gs y s t e m so f t a x i m e t e rp r e s e n t l y , t h ew h o l ed e s i g np l a no fan e wl o c a ld e t e c t i n ga n dm a n a g e m e n t s y s t e mo fm u t i t a x a m e t e ri sp u r p o s e d t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fe a c hu n i to f t h i s s y s t e ma r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi sd i s c u s s e de m p h a t i c a l l yi nt h ep a p e r i t c o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ：t h ed e t e c t i n go fc y c l o m e t e rr e a l i z e db yas i n g l e c h i pc o n t r o l l i n gas t e pm o t o rt os i m u l a t et h er u n n i n go f at a x i sw h e e l ，t h ed e t e c t i n go f c o n s i s t i n g o f1 0s t a n d a r d c a l c u l a g r a p h r e a l i z e db ys i n g l e c h i p a n dt h es e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e np ca n dm u t i s i n g l ec h i p t h e n t h et e c h n o l o g yo ft h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r eu s i n gv c + + 6 0t op r o g r a mi s d i s c u s s e d i tn o to n l ya c h i e v e st h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e np c a n dm u t i - s i n g l ec h i p ，b u ta l s oa c h i e v e st h em a n a g e m e n tm e t h o db a s i n gd a t ao ft h e r e g i s t e r so f t a x i m e t e r s a tl a s t , t h es u m m a r ya b o u tt h es y s t e mi sb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：t a x i m e t e r ；s i n g l ec h i p ；s t e pm o t o r ；t h ed e t e c t i n g ；v c + + 6 0 1 1 第一章绪论 第一章绪论 近年来，我国出租汽车行业迅猛发展，出租汽车已经成为我国城市公共交通 的重要组成部分和现代化城市必备的基础设施，成为人们工作、生活中不可缺少 的交通工具。出租汽车服务行业和出租汽车计价器紧密相关，因为出租汽车必须 安装出租汽车计价器才能投入营运。出租汽车计价器是一种能根据乘客乘坐汽车 行驶距离和等候时间的多少进行计价，并直接显示车费值的计量器具。计价器是 出租汽车的经营者和乘坐出租汽车的消费者之间用于公平贸易结算的工具，因而 计价器计价准确与否，直接关系到经营者和消费者的经济利益。依据国家有关法 律、法规，出租汽车计价器是列入国家首批强制检定的工作计量器具之一，也是 近年来国家质量技术监督部门强化管理的六类重点计量器具之一【”。 1 1 课题提出的背景 1 1 1 出租汽车计价器 出租汽车计价器是一种集计程、计时、时钟和车速等多种计量功能于一体的 极为专用的智能化计量仪器，它安装在出租汽车上，通过连接在车辆变速箱输出 端齿轮的传感器传送电脉冲信号来记录车辆营运里程，按特定的计价收费模式连 续累加并直接指示出行程中任一时刻乘客应付费用的总数，其金额值是计程和计 时时间的函数。可见计程和计时是计价器计价的依据。计程指重车( 车辆处于租 用状态) 时计价的里程，计时指重车低速状态时计价的时间。计程可分为起程和 续程两部分，起程是租用车辆的最低计价里程，续程是在起程以后的最小计价里 程。计时同样也分为起始时间和后续时间，起始时间是与起程相对应的计价时间， 后续时间是起程后的最小计价时间，是与续程相对应的计价时间。由此看出，计程 和计时可以相互进行等效折算参与计费。 出租汽车计价的计算方法是：乘客租车后，在起程内均按起程计价，超过起程 后，每开始增加一个续程就增加一个续程车费，同样在起始时间内均按起始时间 计价，超过起始时间后，每开始增加一个后续时间就增加一个后续时间车费，逐次 累加。计价器的计价显示是按照一定间隔，作跳跃式变化的。起程、续程值和起 第一章绪论 始时间，后续时间值的大小一般是根据当地诸因素如城市大小、交通情况、生活 和物价水平等人为确定的，各地标准并不相同。通常起程应大于续程，按照国家有 关标准，起程的要求值为l k m 的整数倍，推荐值为3 、4 、5 k m 。续程的要求值为0 1 k m 的整数倍，推荐值为0 5 k m ，后续时间的要求值为每累计3 0 s 的整数倍加收相应的 租金，推荐值为每累计2 m i n 3 0 s j 3 h 收0 5 k m 的租金【i l 。 计价器的准确与否关系到广大人民的利益，为保证在使用的出租汽车计价器 计价功能符合收费标准，必须严格的做好计价器的检定工作。计价器的检定分为 本机检定和使用误差检定两个部分。出租汽车计价器本机是指未经使用误差标准 检定装置检定或者未装车使用的计价器，本机检定指对这种未经使用误差标准检 定装置检定或者未装车使用的计价器的检定；使用误差检定指对已经安装到车辆 上后的计价器的检定，又称为整车检定。 按j j g 5 1 7 1 9 9 8 出租汽车计价器国家计量检定规程规定，新制造计价器 的检定项目为：附件及相关文件；标志：外观；功能；铅封；计程误差；计时误 差；切换速度误差；永久时钟误差：使用误差。使用中计价器的检定项目为：标 志：外观；铅封；使用误差。修理后计价的检定项目为：铅封：计程误差：计时 误差；切换速度误差；永久时钟误差；使用误差。凡新制造、修理后并改变了软、 硬件的计价器，在安装到车辆上以前，必须进行本机检定 2 1 。因此计价器的本机检 定是非常重要的，每一台计价器都要首先进行本机检定，然后才能装到车辆上。 本系统也是为实现出租汽车计价器的本机检定工作而设计的。 1 1 2 出租汽车计价器的本机检定【3 j 出租汽车计价器本机检定包括：附件及相关文件；标志；外观；功能；铅封； 计程误差；计时误差；切换速度误差；永久时钟误差等项目。其中：附件及相关 文件；标志；外观；功能：铅封等检定项目通过目测来完成。计程误差：计时误 差；切换速度误差；永久时钟误差等的检定需要一定的标准检定装置来实现。下 面说明一下使用仪器来实现计价器检定工作的项目的检定方法及原理。 一、计程误差的检定 计程误差检定起程转数和续程转数。首先将被检计价器转轴或传感器转轴连 接到本机检定标准装置的检测轴上，并确认没有滑动现象。将计价器接通电源， 2 第一章绪论 电压调至1 2 v 0 5 v ，计价器置“空车”状态，并将计价器k 值( 计价器正确指示 1 公里行程而必须接受到的信号数，单位为每公里的转数) 设定为k 。( k 。表示 被检计价器k 值，单位为r k m ) 。将本机检定装置调到计数位置，转速调至适当值。 翻倒“空车牌”至“重车”状态后，立即启动本机检定标准装置，当计价器至起 程或起程+ 续程变价瞬间，停止本机检定装置计数并读数。按计程误差的检定公 式计算出计程误差： r 。= ( k 。q ) 一r b r 。1 0 0 ( 1 一1 ) r ，计程误差；卜计价器被检点( k m ) ；r 。检定装置计数值( r ) 。 计程误差r ，在+ o 5 1 0 范围计价器计程检定合格。 二、计时误差的检定 计时误差检定起始时间和后续时间。计价器的计程误差经检定合格后，空车 牌翻到“空车”位置。在同一时刻启动秒表( 或检定装置上的专门开关) 和计价 器的等候时间开关( 时距并计式计价器，翻到计价器的空车牌至“重车”状态) ， 等到计价器到达起始时间或起始时间+ 后续时间的变价瞬间，停止秒表并读数。 按计时误差的检定公式计算出计时误差： t 。= ( t 。一t 。) t 。1 0 0 ( 1 2 ) t 计时误差：t d _ 计价器计时被检点( s ) ：t 广秒表读数( s ) 。 计时误差l 在+ 0 5 1 o 范围计价器计时检定合格。 三、切换速度误差的检定 计价器是按计程和计时计价的，它可以有两种不同的计价方式：一种叫做时 距并计式，是指重车时等候时间和里程同时收费：另一种叫做时距分离式，是指重 车时等候时间和里程分开收费。在时距并计式收费方式下，切换速度是计价器从 计程收费转换为时距并计收费的车速切换点，在进行切换速度误差检定时，首先 按被检计价器k 值，设定本机检定标准装置，并将该装置车速调至车速切换点 1 2 k m h 。然后开启本机检定标准装置，逐步降低或升高设定车速值，当计价器低速 显示屏显示与不显示交替变化时，即为该计价器车速切换点，读取速度值。此值 在1 1 5k m h 1 2 5k m h 之间即为合格。 四、永久时钟误差的检定 对有夜间加价的地方是一个十分敏感的问题，因为夜间的转换完全受控于永 第一章绪论 久时钟是否准确，所以计价器上的永久时钟能够较长时间保持一定的精度是必须 具备的功能。永久时钟误差的检定公式： y = y 。- - 8 6 4 0 0 s( 1 - - 3 ) y 。永久时钟误差( s ) ；y 扩一计价器以秒计的2 4 小时读数( s ) 。 永久时钟误差y 在l o s d 范围计价器永久时钟检定合格。 1 1 3 目前进行计价器本机检定的方法及工作状况 目前计量单位使用的进行计价器检定工作的标准检定装置种类不一，但都是 一台单一的仪器，每次只能对单台计价器进行检定。计程检定原理是，检定装置 控制步进电动机转动，来模拟汽车轮轴的转动，出租汽车计价器的传感器连接到 电动机的转子上，传感器将步进电动机转子的机械转动量信号有效地、准确地转 换为电脉冲信号，输人计价器主机，再驱动其内部的电子电路工作实现计价器的 计程。检定装置根据所发出的脉冲数，以及脉冲数与电机转够一转的关系可测出 电动机实际转动的转数，并显示出来。 进行计程检定时，首先通过检定装置控制步进电动机连续运转，使计价器计 程接近起程，例如设定计价器一个起程为3 公里，k 。值为1 0 0 0 r h ，则计价器在3 0 0 0 转时开始跳价。按下计价器空车灯，计价器里程的示数为3 公里，首先使检定装 置控制步进电动机连续运转，当看到计价器检定装置显示电动机转够2 9 9 5 转左右 时，控制检定装置使步进电动机停止连续运转，然后使步进电动机单步运转，也 就是使步进电动机一个单步转动一转，这时检定装置上显示的数值逐渐的接近 3 0 0 0 。在看到计价器上计程示数跳变时，停止单步运转，这样检定装置显示的是 步进电动机实际的转数，根据式( 1 1 ) ，工作人员就可以计算出计价器的计程误 差。然后再测得两次续程步进电动机的实际转数，计算出续程的计程误差，将三 次计程误差相比较，看最大的计程误差符合计价器计程误差合格范围否。 出租汽车营运中的收费项日是计程、计时和车速。计程和计时是显而易见的， 营运的里程和等候的时间越长，收费自然越高( 时间是指由于乘客的原因，要求 司机停车等候，其等候时间所规定的费用由乘客支付) ，车速似乎与收费无关， 但我国现行出租汽车行业收费标准均引入“低速收费概念，即车速在1 2 土0 5 k m h 以下时，计价器从计程收费转换为时距并计收费。 4 第一章绪论 一般在计价器计程误差检定完后，进行切换速度误差的检定。开启本机检定 标准装置，进行速度控制的微调，当计价器低速显示屏显示与不显示瞬间，读取 速度值，此值在1 1 5k m h 1 2 5k m h 之间即为合格。 进行计价器的计时检定时，使用标准检定装置的秒表计时功能进行，也可以 使用精确的秒表。由于需要测得起始时间( 1 0 分钟) ，起始+ 后续时间( 1 5 分钟) ， 起始+ 两个后续时间( 2 0 分钟) 三个时间段的计时误差，计价器和标准检定装置 的时钟同时开始计时，在计价器计到l o 分钟计价跳变瞬间，读取个时间值，根 据公式( 1 2 ) 人工计算求取一个计时误差，然后在1 5 分钟，2 0 分钟跳变时得出两 个时间值，求取两个计时误差，三个计时误差比较，看最大的误差符合计价器计 时误差合格范围否。 永久时钟检定时，使用一台由g p s 定位的高精度的永久时钟对其进行检定。 检定误差由工作人员根据式( 1 - 3 ) 求得。 计价器的检定项目分别检定结束后，工作人员要首先根据测得的数据进行各 项误差的计算，然后比较，进行误差合格否判断等数据处理工作。数据处理结束 后，每一台计价器的数据资料都需要输入计算机记录下来，检定结果要在w o r d 环境下输入，编排后打印出检定证书。整个检定工作过程相当繁琐，整个工作过 程周期过长，使得计量单位工作人员工作量相当大，工作效率也不高。并且由于 计价器的检定过程、数据处理工作以及计价器信息的存取与打印等工作的分离， 容易造成数据混乱出错，增加了计量工作人员的工作难度。 1 2 本课题设计的意义及主要工作 随着社会的发展，交通越来越便利，出租汽车数量也在不断的增多，出租车 计价器的需求量相应增大，计量单位对计价器检定的任务越来越繁重，而目前计 量单位进行计价器检定的方法已经逐渐不能满足需求。为了解决目前出租汽车计 价器检定所存在的问题，我们研制了一种新型的计价器本机检定管理系统。 该系统集计价器检定、数据处理、数据存档、数据查询、证书打印为一体， 不但能同时对1 0 台计价器进行计程检定，计时检定，切换速度检定，并且可以 实现对计价器的记录信息进行数据库式的管理和维护，可以很方便的随时打印出 经过检定的计价器的检定证书。该系统的运用为出租车计价器的检定和管理提供 第一章绪论 了快捷、准确、有效的方法，减轻了检定工作人员的工作强度，提高了工作效率。 在本课题的设计中，主要进行的工作有： ( 1 ) 课题进行前期，对目前计价器检定工作状况以及所存在问题的大量的 调研，并根据调研情况提出一个系统设计的整体设计思路。 ( 2 ) 设计一个单片机控制单元电路，控制1 0 台步进电机的灵活运转，并且 实现与p c 机通信，实现多台计价器计程检定的自动化操作。 ( 3 ) 设计一个精确的计时器，并控制i 0 路计时器与p c 机通信，实现多台 计价器计时误差检定的自动化，智能化。 ( 4 ) 设计一个串行通信模块，实现p c 机和多台单片机的可靠通讯功能。 ( 5 ) 在上位机上编制计价器检定管理软件，实现计价器检定的自动化操 作、数据处理及数据的数据库管理功能。 6 第二章系统方案的设计 第二章系统方案的设计 多台出租汽车计价器本机检定管理系统集计价器检定、数据处理以及数据 管理与一体的自动化操作，并能实现对1 0 台计价器同时进行检定和信息处理。 计程和计时是计价器计价的依据，在本系统的设计中，首先要实现计价器的计程 检定，计时检定，以及切换速度的检定，然后实现计价器捡定记录信息的管理及 维护功能。 2 1 计程检定部分设计思想及理论依据 2 1 1 计程检定设计思想 为了提高计价器计程检定的工作效率，设计了1 0 路检定通道。每路通道均 由一台步进电动机驱动器，一台步进电动机，连接一台出租汽车计价器组成。通 过一个基于单片机的控制电路，灵活的控制l o 路计程检定通道的步进电动机运 转，从而实现对计价器的计程的灵活控制。设计示意图如图2 一l 所示。 为了克服以往计程检定的人工因素存在的问题，设计采用p c 机对单片机控 制电路的控制，来控制步进电动机的运转状态，同时采集1 0 个通道的电动机的 实际转数，在p c 机上进行数据的处理，并且可以将计价器检定的记录信息进行 图2 1 计程检定设计示意图 第二章系统方案的设计 数据库的管理方式，这样计程检定的整个工作只在p c 机上操作就可以完成，实 现了计程检定的一体化、自动化操作。 进行计程检定时，在p c 机上进行操作控制下位机，首先使l o 台电机连续 转动，使计价器在起程( 一般为3 公里) 范围内计程。当计到临近计价器跳变点 q 时，停止步进电动机连续运转，使单台步进电机单步运转，即一次转一转，这 样计价器跳变瞬间，步进电动机实际转动的转数r 。可以采集到计算机中，由上位 机软件根据公式( 1 一1 ) 求出计程误差并记录下来。依次将所有步进电动机起程误 差测得后，控制电机继续连续运转，计价器在续程l ( 一般续l 公里) 范围内计 程，和起程检定同样的方法进行续程的计程检定。续程两次后，每台计价器均测 得三个计程误差，在p c 机上可以将三次计程误差自动进行比较，最大误差即是 计价器计程检定的真实误差，根据其计程误差范围得出计价器计程合格否。这种 1 0 台步进电动机同时连续运转的检定方法，很大的节省了计程检定的时间，提 高了工作效率。而在p c 机上进行数据采集和数据处理，使计程检定工作更方便 简单。 切换速度的检定也在计程检定部分进行，每台计价器计程检定结束后，在 上位机上实现控制步进电动机速度的微调变化，从而根据切换速度检定规程进行 切换速度误差的检定。 2 i 2 计程检定中步进电动机模拟车轮转动的工作依据 一、步进电动机州 计程检定设计中采用步进电动机转子的转动来模拟汽车车轮的转动，是有一 定的理论依据的。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，步进电 机驱动器把脉冲信号和电机转向信号转化为电压信号，驱动步进电机运动。当步 进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固 定的角度( 即步进角) 。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可 以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步 进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况 下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变 第二章系统方案的设计 化的影响，这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差 等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。因此， 采用步进电机转子的转动模拟车轮转动控制计价器进行计程，控制方便、精确、 简单。 步进电动机的种类很多1 4 】，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则 可分为单相、两相和多相三种。本系统中采用常州徽特电机厂生产的3 6 b f 0 0 3 型 三相步进电动机，工作方式采用六拍。 步进电动机分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠程的，有6 个磁极， 每两个相对的磁极组成一对，每个磁极的内表面分步着小齿，大小相同，间距相 同。转子是由软磁材料制成，其外表面也均匀分步着小齿。三相反应式步进电机 的结构图如图2 2 所示。 定子的小齿和转子的小齿的错齿的存在， 是步进电动机能够旋转的前提条件。如果给处 于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用 下，将向磁导率最大( 和磁阻是小) 的位置转 动，即向趋于对齿的状态转动。 转子走一步所转过的角度称为步距角 e 、，可用下式计算： 0 、= 0 、n = 2 n z 图2 2 三相反应式步进电机的 式中n 步进电动机工作拍数；z 转子的齿数。在本系统中使用的三 相六拍的步进电机，则步距角0 、为1 5 。 fii 1 t fi 图2 3 三相六拍运行下控制脉冲波形图 第二章系统方案的设计 三相六拍工作方式下，步进电动机正转通电顺序为：a a b b b c c c a ；反 转通电顺序为：a - a c c c b b - b a 。可见，磁场旋转一周，通电需要换相6 次( 即 6 拍) ，转子才转动个齿距角。六拍工作时，控制脉冲波形图如图2 - 3 所示。 二、步进电动机的振荡、失步及解决方法 4 l 步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的j 下常运 行，因此要尽力去避免。 ( 1 ) 、振荡 步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机工作在低频区；步进电动机 工作在共振区；步进电动机突然停止时。减小步距角可以减小振荡幅值，达到消 弱振荡的目的，有以下方法实现减小步距角。 a )多相激励法。即采用三相步进电动机的双三拍和六拍方式。本系统中采 用三相步进电动机六拍工作方式。 b )细分步法。细分步法是将步进电动机绕组中的稳定电流分成阶梯状波， 电流分多少个台阶，转子就以同样的次数转过一个步距角，这样将一个步距角细 分成若干步来驱动。相对地提高了步进频率，使步进过程平稳进行。因此我们采 用具有细分技术的步进电动机驱动器。 ( 2 ) 、失步 步进电动机的失步原因有两种。第一种是步进电动机在启动时，如果脉冲的 频率过高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的 速度，从而引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率，超过启动频率启动时， 肯定会产生失步。启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减小负载转动 惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。第二种是转子的平均速度 大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量， 产生严重的过冲，引起失步。 因此应根据系统引起电机失步的实际情况，采取一定的措施保证步进电动机 在运行过程中不会失步，在论文第三章系统的设计中给出了失步的解决办法。 2 1 3 步进电动机驱动器的结构及设计 步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进 1 0 第二章系统方案的设计 电动机驱动器。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，在 很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和实际参数。因此，步进电机驱动电 路的设计是步进电机控制系统中的关键部分。步迸电机驱动器的驱动系统框图如 图2 - 4 所示。 u u u 印 脉冲 脉冲分配电路 产生 功率放大与驱动 - - t 电机绕组 电路 控制电路 方向控制电路 图2 4 步进电机驱动器的系统框图 一、脉冲分配器口j 驱动部分主要由两部分组成：脉冲分配及方向控制部分，功率放大与驱动控 制电路部分。要使步进电动机正常工作，必须按照该种电动机的励磁状态转换表 所规定的状态和顺序依次对各项绕组进行通电或断电的控制。各相驱动信号来源 于脉冲分配器，脉冲分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串，按一 定的规律分配给步进驱动电路的各相的输入端，控制励磁绕组的导通或截止。同 时，由于电动机有正反转要求，所以这种脉冲分配器的输出，即是周期性的，又 是可逆的，以前又称为环形分配器。它是一种特殊的可逆循环计数器，只是这种 计数器的输出不是一般的编码，而是由电动机励磁状态要求的特殊编码。 脉冲分配器可以由专门的集成电路来实现，如三相步进电动机的理想脉冲分 配器c h 2 5 0 ，日本s a n y o 电机公司生产的、用于步进电机控制的脉冲分配器 p m m 8 7 1 3 等。也可以用e p r o m 来构成各种环形分配器。 步进电动机按类型、相数划分种类繁多，不同种类、不同相数、不同分配方 式都必须有不同的环形分配器，所需的环形分配器的品种是很多的，如果全部用 集成电路等硬件搭成这些环形分配器，结构是相当复杂的。用e p r o m 来构成的环 形分配器可以作为一个通用的脉冲分配器，使用比较方便。 二、e p r o m 在环形分配器中的应用【6 9 】 e p r o m 存储器是一种紫外线擦除的可编程只读存储器，目前国内市场上有 2 7 1 6 、2 7 3 2 、2 7 6 4 等数种，市场来源极其丰富。这种存储器各地址可以由使用 第二章系统方案的 殳计 者自行编程，且可用紫外线照射擦除后重新使用。用这种e p r o m 可以搭成各种环 形分配器，其基本思想是：首先结合驱动器线路按步进电动机励磁状态表求出所 需的环形分配器输出状态表，以二进制码的形式存入e p r o m 存储器中，在线路中 只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则e p r o m 的输出端即一次 表示各励磁状态。 用这种e p r 0 1 搭成的环形分配器由两部分组成，如图2 5 ，前一部分是一 种可逆循环计数器，后一部分是e p r o m 存储器。 c 期阱 符向电平 游 蕾 图2 5 环形分配器构成图 计数脉冲端即是控制电动机运行的c p 脉冲输入端，计数器的加减控制端即是 作为控制电动机正反转的方向控制端，如果高电平时计数器加计数，电动机正转， 则低电平时计数器减计数，电动机反转。计数器的计数长度应等于电动机运行一 个周期的拍数或拍数的整数倍。计数器的输出端接到e p r o m 地址线上并使e p r o m 总是处于读出状态，这样，对应计数器每一个输出状态，都对应存储器的一个地 址，输出端数据线上就会出现该地址的内容，实际上也就是对应一种励磁状态。 事先按电动机励磁状态转换表的次序依次设计出驱动器各相输入端对应的输入 状态，并存入存储器，简单的说，存储器存入一个环形分配器输出状态表。计数 器每输入一个脉冲，计数器计一个数，计数器输出计数值的二进制编码，该数值 选通存储器的一个地址，存储器输出一个数据，即是环分的一个状态。如果计数 器执行加法计数，则存储器按地址递增方向依次取出状态表的内容；反之，计数 器执行减法计数，则存储器按地址递减的方向取出状态表的内容，从而控制电动 机正反转。 还要注意到，励磁状态是按运行拍数循环的，所以存储器输出的状态也必须 按拍数循环出现，这就要求计数器既是可逆循环计数器，同时又必须使计数长度 等于运行循环的拍数。这样计数器就可按拍数循环计数，计数长度也可等于拍数 的整数倍。此时，存储器中将状态表存储对应的整数倍次，以使计数长度与存储 第二章系统方案的设i 器中状态表作用的地址相对应。 一种步进电动机可以有多种励磁方式，状态表也同。可以将存储器地址划分 为若干区域，每个区域存储一个状态表。运行中用e p r o m 的高位地址线选通这些 不同的区域，则同样的计数器输出就可以运行不同的状态表。用e p r o m 设计成的 环形分配器，具有如下特点： ( 1 )线路简单。只需要循环计数器和存储器两大部分。计数器尽可利用现有 的器件，计数长度可用简单的外围电路实现。对e p r o m 主要是编程，存状态表， 所以工作量小。 ( 2 )一种线路可以实现多种励磁方式的分配，只要在不同的地址区域存储不 同的状态表。除软件工作之外，硬件电路无需变动。 ( 3 )可彻底排除非法状态。存储器中存储的内容，除在需选通的地址存储所 需的状态表外，其它所有无用的地址都存储各相截止的信号。因此，即使存储器 有非法地址输入，输出端出现的是全截止的信号机，可保护驱动器不受损坏，从 而把非法状态彻底排除引。 因此在本系统中我们使用一种以e p r o m 为核心部件的新型的步进电机驱动 器，原理简单，实现容易，综合了软件和硬件环形分配器的优点，精度高，控制 系统可靠。由单片机控制电路产生c p 脉冲输入到步进电动机驱动器，就可以实现 对步进电动机的灵活控制，从而实现计价器的计程，进行计程检定。 2 2 计时检定部分设计思想 在大都市r 益发展繁荣的同时，交通堵塞已是一个不可忽视的问题，计时误 差精度的提高，是为出租汽车司机和乘客的利益着想，同时也向生产厂家提出了 生产优质计价器的要求。 由于以前的计价器的计时检定的标准计时时间是人工读取并记录下来的，还 需要人工计算计时误差，工作比较繁琐和不方便，也容易出现错误。本系统设计 的计时检定部分，首先设计一个相对精确的计时模块，作为计时误差检定的标准 计时器。通过控制按键，将标准计时器的标准时间采集到p c 机上，在p c 机上进 行数据的处理。 在本系统上操作进行计价器计时误差检定时，在计价器开始计时的同时启动 第二章系统方案的设计 计时模块，使计价器的计时和计时模块的计时同时开始，计到计价器跳价瞬间， 按下控制键，将跳价时刻计时模块显示的标准时间t 。通过串行通信传输到计算 机，在p c 机上由软件自动根据公式( 1 2 ) 算出起程的计时误差，根据计时误差 的大小检出计价器计时合格否。控制键按下时，计时模块继续计时，在后续时间 计价器跳变瞬间，再次按下控制键，后续时间的标准时脚t 。传输到计算机，自动 得出计时误差。这样数据的处理部分在p c 机上自动完成，提高了计时检定效率。 计时检定是一个时间段的检定，每台计价器计时检定需要大量的时间，这 样工作的效率比较低。为了提高工作效率，设计采用l o 个计时模块，由一个有 3 0 个键组成的控制键盘实现对1 0 路计时模块的自由控制。每3 个键控制一路 计时模块，分别控制启动计时，保持计时( 将此刻的时间值传给计算机) 和复位。 计时检定设计示意图如图2 6 所示。 图2 6 计时检定设计示意图 这样可以对1 0 路计价器采用阶梯式分时计时检定。阶梯式分时计时检定， 就是1 0 台计时模块分别以相同的时间间隔与计价器的计时同时启动，间隔几秒 以来得及操作第二台为准。以此类推，计时器启动的时间呈现一个阶梯状，这样 近似1 0 台计价器同时进行计时检定，相对比较节省时间，提高计时检定的工作 效率。 4 第二章系统方案的设计 2 3 系统的上位机软件部分设计思想 一、软件编译环境的选择【1 0 】 微软公司的v c + + 6 o r 用的面对对象的编程语言c + + ，是一种功能强大的可视 化编程工具。它包含了文本编辑器，资源编辑器，工程创建和管理工具，调试器， 在线帮助等各个工具，还提供了相当完善的类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o n c l a s s1i b r a r y ) ，可以说是当前最为强大的开发平台之一。在这个环境中，程序 员可以完成应用程序的创建、编码、测试、完善等各个阶段的工作。 使用v c + + 6 0 不仅可以开发w i n d o w s 应用程序( e x e ) ，还可以开发动态链接库 程序( d 1 1 ) ，以及a c t i v e x ( o c x ) 等。对于每一类应用程序来说，都不用从零开 始进行开发，微软的系统设计者们为开发多种应用程序设计好了程序的框架部 分，通过它的应用程序向导( a p p w i z a a r d ) 就可以自动生成包含了一些基本功能的 应用程序框架，开发者可以在此基础上进行程序的设计；通过它的c l a s s w iz a r d 可以方便地进行类的创建，继承，修改等；通过它的资源编辑器可以方便地编辑 菜单、工具栏、图标、快捷键、对话框等，为制作用户界面提供了很好的支持。 这些都为程序开发带来的很大的便利，节约了宝贵的开发时间，因此我们选择使 用v i s u a lc + + 6 o 作为软件的编译环境。 二、软件编制的主要思路 软件选用m i c r o s o f t 的v i s u a lc + + 6 0 编译环境，该编译环境提供了很好的 命令和数据传送机制，可以很容易地实现控件信息与用户代码之间的信息传递。 它提供了图形用户界面模板和大量的基本控件，基本控件是预先包装好了的对 象，它是w i n d o w 系统提供给用户的一种可直接利用的资源。控件减少了w i n d o w s 程序设计中乏味的工作并通过集中使用通用用户界面元素促进了用户界面的一 致性。通过选用w i n d o w s 的标准控件，不仅可以简化程序的编制过程，同时，使 得程序的操作使用更具有通用性和一致性。 计价器检定系统由一台p c 机和多台m c s 一5 l 单片机组成。计程控制的下位 机和上位机数据双向传递，当上位机给下位机发出控制信号后，下位机根据接收 到的数据进行控制工作，并给上位机发出相应的信息；计时控制的下位机单向给 上位机发送数据，上位机不发送数据给计时控制模块的下位机。由于下位机控制 的距离比较近，传送的数据量也不大，数据的传送速度要求也不高。上位机和下 第二章系统方案的设计 位机之间数据传输采用串行通信实现，软件通过串口控件软件通过串口控件 m s c o m m 来完成下位机的控制功能【1 1 】。 m i c r o s o f ta c c e s s 是较为常用的一种数据库，考虑到数据存储的通用性，软 件选用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库来存储检定的计价器信息。而在访问m i c r o s o f t a c c e s s j e t 时，使用d a o 技术具有明显的优势。因此软件的数据库访问接口选用 了d a o 数据访问技术。 1 6 第三章控制系统的设计及实现 第三章控制系统的设计及实现 3 1 系统的构成 整个系统由上位机软件控制部分和下位机检定控制部分组成，上位机和下 位机通过串行通讯来实现信息的传输。在上位机操作实现对计价器的检定，数据 处理，计价器检定记录信息的存储，证书的打印等工作。下位机检定控制部分分 为计程检定部分和计时检定部分，两个部分共同通过一个串行信号电平转换电路 实现和p c 机的数据传输，图3 一l 是系统构成的基本框图。 图3 一l系统构成框图 计程检定部分有1 0 路检定通道，每路通道均可在上位机上自由控制电机的 运转情况，并且下位机可以将电机的运转情况反馈给上位机，在上位机上进行数 据处理，可同时检定l o 台计价器计程误差和切换速度误差。计程检定控制部分 包括电机驱动控制单元电路，电机驱动控制器，三相反应式步进电机，传感器等 第三章控制系统的设计及实现 硬件部件。 计时检定部分由计时器控制及显示单元电路实现。在电路中，用单片机的定 时器产生时钟信号，作为计价器计时检定的标准时钟信号。本系统中，为了节省 检定的时间，设计了l o 路计时检定模块，以阶梯状的分时检定计价器的计时误 差。计时检定控制使用一个1 0 路的键盘，每路都包含3 个按键：丌始，保持， 复位。开始键控制计时器开始计时，保持键则将计时器测的标准时间传给上位机， 复位键将停止计时并将显示屏的数据清0 。 由于检定时需要和上位机